JP2008236192A - 拡声装置 - Google Patents

Abstract

【課題】リアルタイムにマイクの位置を検出することができる拡声装置を提供する。
【解決手段】カラオケ装置１は、テスト音声をスイープさせ、マイク２のゲインを測定する。位置を検出し、マイク２の位置（角度）に歌唱音声を含む音声ビームを出力する。カラオケ装置１は、ハウリングを検出した場合、音声ビームの制御角度を微調整し、マイク２の位置からずらす。または、端部のスピーカユニットの駆動を停止し、音声ビームを鈍化させる。ハウリング検出フィルタで特定周波数成分を低下させることがないため、音質を低下させることなくハウリングを抑制することが可能となる。
【選択図】図４

Description

この発明は、音声を拡声する拡声装置であって、マイクの位置を検出する拡声装置に関する。

カラオケ装置は、１室を単一のグループが占有する場所（カラオケボックスなど）に設置されるほか、不特定の顧客が集まる場所（スナック店舗等の飲食店など）に設置される場合も多い。

従来のカラオケ装置は、ステレオスピーカを用いて、店内に伴奏音および歌唱音声を拡声していた。したがって、上記不特定の顧客が集まる店舗に設置された場合、誰が歌唱した歌唱音声でも、店内の全てに聞こえるようになっていた。

スナック等の飲食店では、他人（他のグループ）の歌唱は必ずしも聴きたいものではなく、場合によっては耳障りなものである。しかし、上記従来のカラオケ装置では、歌唱者の歌唱音声が店舗全体に放音されるため、全ての顧客がカラオケ歌唱を聞かなければならないという問題点があった。

そこで、スピーカアレイを用いることで、歌唱者の居るグループにだけ歌唱音声を聴かせるように放音に指向性を持たせる装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００５−１７３１３７号公報

しかし、特許文献１の装置では、リアルタイムにマイクの位置を検出できないため、歌唱者の居る位置を予め手動で入力しなければならなかった。また、曲の途中で歌唱者の居る位置が微妙に変化した場合、歌唱者の位置と放音指向性がずれることがあった。

この発明は、リアルタイムにマイクの位置を検出することができる拡声装置を提供することを目的とする。

この発明の拡声装置は、音声信号を入力するマイクと、複数のスピーカユニットを配列してなるスピーカアレイと、前記音声信号を各スピーカユニットに遅延入力して放音に指向性を持たせる放音処理部と、前記放音処理部にテスト用の音声信号を入力し、このテスト用の音声信号により形成されるテスト音声ビームをスイープさせるテスト音声ビーム出力処理、および前記マイクが収音した音声信号のゲインを測定し、前記ゲインが最大となる音声ビームのスイープ角度からマイクの位置を検出するマイク検出処理、を実行する位置検出部と、を備えたことを特徴とする。

この構成では、スピーカアレイにより形成されるテスト音声ビームをスイープさせ、マイクのゲインとスイープ角度からマイク位置を検出する。マイクのゲインが最も高いスイープ角度にマイクが存在すると判断する。

また、この発明は、さらに、前記位置検出部は、前記マイクが収音した音声信号を、前記テスト用の音声信号を含む周波数帯域以外の音声をカットするフィルタでフィルタ処理したのちゲインを測定することを特徴とする。

この構成では、フィルタ（ハイパスフィルタ、またはバンドパスフィルタ）により、テスト音声ビームのみゲイン測定をできるようにする。他の音声をカットし、ノイズを低減する。

また、この発明は、さらに、前記位置検出部は、テスト用の音声信号として可聴外の周波数帯域の音声信号を用いることを特徴とする。

この構成では、テスト音声ビームを可聴外の周波数帯域とすることで、ユーザが知覚できないようにする。なお、この場合、可聴外の周波数帯域の音声を収音、および放音することができるマイクおよびスピーカユニットを用いる。

この発明によれば、リアルタイムにマイクの位置を検出することができる。

図面を参照してこの発明の実施形態であるカラオケ装置について説明する。図１はカラオケ装置のブロック図、図２は同カラオケ装置において用いられるスピーカアレイの外観図である。

カラオケ装置１は、マイク２、ドライバアンプ３、信号処理部４、スピーカアレイ５、ＡＤＣ６、マイク位置検出部７、制御部８、伴奏再生部９、記憶部１０、およびハウリング検出部１１を備えている。

カラオケ装置１は、カラオケ曲のリクエストを受け付けて、その曲の曲データを読み出してカラオケ演奏を行うとともに、そのカラオケ曲の歌詞をモニタ（図示せず）に表示する。カラオケ演奏時には、カラオケ曲の伴奏音を再生する。また、ガイドボーカル音声を再生する。カラオケ演奏音、ガイドボーカル音声はドライバアンプ３によって増幅されスピーカアレイ５から放音される。

スピーカアレイ５は、図２（Ａ）に示すように、複数のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈを直線状に配列して構成されたものである。なお、スピーカユニットの配列個数、および配列態様はこの例に限るものではない。例えば図２（Ｂ）に示すように、口径の異なるスピーカユニット５１Ｍ〜５４Ｍ、スピーカユニット５１Ｌ〜５４Ｌを配列するようにしてもよい。また、図２（Ｃ）に示すように、配列中央付近でスピーカユニットが密に、配列端付近で疎になるようにしてもよい。また、図２（Ｄ）に示すような配置にしてもよい。図２（Ｄ）に示す例は、高音域用のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈを直線状に並行に２列で配列し、その外側に中音域用のスピーカユニット５１Ｍ、５２Ｍを配列し、さらに外側に低音域用スピーカユニット５１Ｌ、５２Ｌを配列したものである。また、高音域専用のスピーカユニット５１Ｔ、５２Ｔを備えている。このように配列することでコンパクトな筐体でありながら口径の異なるスピーカユニットを複数配列したスピーカアレイを構成することもできる。

この構成（例えば図２（Ａ）に示す構成）のスピーカアレイ５の各スピーカユニットに、音声信号を遅延制御して入力することにより、特定の方向に強い指向性を有する音声ビームを形成することができる。なお、無指向性で出力することも可能である。

ここで、図３を参照してビーム制御について説明する。図３は、音声ビームの形成原理を説明するための図である。同図（Ａ）は、一列に並んでいる複数のスピーカユニットＳＰに音声信号を同時に入力した場合を示している。この場合には、各スピーカユニットＳＰから同時に音声が放音される。個別のスピーカユニットＳＰから出力された音波は放射状（円形）に伝搬してゆく。ここで、各スピーカユニットＳＰから出力された音波の合成波形は、前方へ伝搬する成分は合成されて強められる。一方で、前方以外の方向へ伝搬する成分は、各スピーカユニットＳＰから出力された信号成分が干渉しあうことによって打ち消される。したがって、前方に向かう成分のみが合成によって強められて音声ビームとなる。

同図（Ｂ）は、同図（Ａ）で示す複数のスピーカユニットＳＰから音声ビームを斜めに形成する場合のディレイ時間制御について示した図である。この図では、音声ビームを正面から右方向のθの角度に形成している。この場合、ビームの向きと反対側の端部（同図左端）のスピーカユニットＳＰから最初に音声を出力し、この後時間τが経過する毎に順次ビーム向きに隣接する（同図では右側に隣接する）スピーカユニットＳＰに音声を出力する。この傾斜角度θは、音速をｖ、スピーカユニット間の距離をｄとすると、θ＝ｓｉｎ^−１（ｖτ／ｄ）の関係になる。したがって、τを制御することによって音声ビームの角度θを制御でき、目的の方向に音声ビームを向けることが可能となる。

次に、制御部８は、ＣＰＵを含み、歌唱者によりリクエストされたカラオケ曲の曲データを記憶部１０から読み出して伴奏再生部９に入力する。カラオケ曲のリクエストは、図示しないリモコンなどを用いて行われる。また、制御部８は、記憶部１０から、スピーカアレイの音声ビームを制御するためのビーム制御データ（各スピーカユニットに入力する音声信号の遅延量を規定したデータ）を読み出し、信号処理部４の制御を行う。

伴奏再生部９は、楽音を生成する音源のほかガイドボーカル再生部を含み、カラオケ演奏音を出力するとともに、オーディオデータであるガイドボーカル音声を出力する。ガイドボーカルデータは、各カラオケ曲の曲データに含まれている。伴奏再生部９が出力したカラオケ演奏音、およびガイドボーカル音声は、信号処理部４に入力される。また、マイク２から入力された歌唱音声を含む音声信号は、ＡＤＣ６でデジタル信号化されたのち信号処理部４、マイク位置検出部７、およびハウリング検出部１１に入力される。

マイク位置検出部７は、マイク２の位置を検出する。マイク２の位置検出手法は、以下のような手法で行う。
図４は、マイク位置測定を示す概念図である。図４（Ａ）に示すように、マイク位置検出部７は、ビーム制御部４１Ａにテスト音声信号（例えば可聴限界に近い高周波数の正弦波）を出力して、スピーカアレイ５から出力させるテスト音声の音声ビームをスイープ（旋回）させるように設定する。アレイ長軸方向に平行となる方向のうち一方（以下、０度方向と称する。）から、アレイ長軸方向に平行となる他方の方向（以下、１８０度方向と称する。）までの間において、音声ビームをスイープ（旋回）させる。なお、スイープさせる速度は音速が無視できる程度に設定される。

マイク位置検出部７は、マイク２が収音した音声信号を分析し、マイク位置を検出する。図４（Ｂ）は、音声ビームの角度とマイク２のゲインの関係を示す図である。図４（Ｂ）に示すグラフの横軸は音声ビーム角度、縦幅はマイク２のゲインを表す。テスト音声の音声ビームのゲインは、マイク２の存在する角度において最も高くなる。したがって、マイク位置検出部７は、ゲインが最も高くなるビーム角度にマイク２が存在すると判断する。なお、図４（Ｂ）では、説明を容易にするためにノイズを除去した理想的なデータを示しているが、実際にはノイズなどにより測定データの波形は歪んだり細かく波形が変化する。

なお、マイク位置検出部７は、入力側にハイパスフィルタ（またはバンドパスフィルタ）を備えている。例えば、ハイパスフィルタは、テスト音声の周波数帯域（例えば２０ｋＨｚ付近）以上を通過帯域とするように設定されている。テスト音声よりも低い周波数の音声をカットし、ノイズを低減させる。一方、バンドパスフィルタは、テスト音声の周波数帯域の所定帯域幅を通過帯域とするように設定されている。テスト音声の周波数帯域以外の音声をカットし、ノイズを低減させる。

また、テスト音声信号が伴奏音によりマスキングされるように、出力するタイミングを制御してもよい。カラオケ曲の曲データは、複数の演奏トラック（担当パート）に分かれており、各演奏トラックはそれぞれ固有の楽器の音声を出力する。ここで、マイク位置検出部７は、制御部８から演奏（シーケンス）中のカラオケ曲の情報を読み取り、各演奏トラックの発音タイミング等の情報を読み取る。マイク位置検出部７は、ストリングスなどの音声の発音タイミングにあわせてテスト音声を出力する。バイオリンのようなストリングス音声は、正弦波に近く、聴覚上、テスト音声に近い。このストリングスの音が再生されるタイミングに同期させてテスト音声を出力することで、テスト音声がマスキングされ、ユーザがテスト音声を知覚できないようにすることができる。

また、テスト音声信号の周波数を、伴奏音の各楽音（例えばバイオリンパート）の倍音に相当する周波数に設定しておいてもよい。倍音に設定することで、さらにテスト音声が伴奏音にマスキングされる。

また、スピーカアレイ５の各スピーカユニット、およびマイク２が可聴外の周波数を放収音できるように構成し、テスト音声信号を２０ｋＨｚ以上の周波数帯域に設定してもよい。これによりユーザがテスト音声を知覚できないようにすることもできる。

マイク位置検出部７は、上記のようにして検出したマイク位置の情報を制御部８に入力する。制御部８は、入力されたマイク位置の情報に基づいて、記憶部１０からスピーカアレイ５の音声ビームを制御するためのビーム制御データを読み出し、信号処理部４の制御を行う。詳細は図５、図６を用いて後述する。

マイク２に入力された歌唱音声を含む音声信号は、ＡＤＣ６でデジタル信号化されたのち信号処理部４のビーム制御部４１Ａに入力される。一方で伴奏再生部９から出力されたカラオケ演奏音、およびガイドボーカル音声は、信号処理部４のビーム制御部４１Ｂに入力される。

ビーム制御部４１Ａは、歌唱音声を含む音声信号がスピーカアレイ５において音声ビームとして出力されるように各スピーカユニットの遅延時間を制御する。同様に、ビーム制御部４１Ｂは、カラオケ演奏音、およびガイドボーカル音声がスピーカアレイ５において無指向で出力されるように各スピーカユニットの遅延時間を制御する。

制御部８は、信号処理部４の上記各ビーム制御部に対してそれぞれ別々のビーム制御データをセットすることにより、歌唱音声をその歌唱者およびグループがいる方向（すなわちマイク位置の方向）のみにビーム出力するように制御する。

ビーム制御部４１Ａで指向性を制御された音声信号（歌唱音声）、およびビーム制御部４１Ｂで無指向性に制御された音声信号（カラオケ演奏音、ガイドボーカル音声）はミキサ４２に入力される。

ミキサ４２ではマイク２で収音した歌唱音声を含む音声信号、カラオケ演奏音、およびガイドボーカル音声がスピーカユニット別に合成される。合成された音声信号は、ＤＡＣ４５でアナログ音声信号に変換されてドライバアンプ３に入力される。ドライバアンプ３は、スピーカアレイ５のスピーカユニット５１Ｈ〜５８Ｈに対応する個数のオーディオアンプ３１Ｈ〜３８Ｈを備えており、入力された各スピーカユニットの音声信号を増幅してスピーカアレイ５に出力する。

以上のようにして音声信号が入力されることで、スピーカアレイ５から歌唱音声（マイク２で収音した音声）が音声ビームとして出力される。また、カラオケ伴奏音、ガイドボーカル音声はビーム制御されずに、無指向で出力される。ここで、制御部８は、マイク位置検出部７から入力したマイク位置の情報に基づいて、そのマイク位置（角度）に歌唱音声の音声ビームが向けられるようにスピーカユニット別の遅延量を設定する。これにより、歌唱者およびグループがいる方向のみに歌唱音声をビーム出力する。

図５を参照して実際のカラオケ店舗におけるビーム制御について説明する。同図において、カラオケ装置１は、店舗の室内６１の隅に設置されている。室内６１の内部には４つのテーブル７１〜７４が設置されている。この図は、テーブル７１の客がカラオケ曲を歌唱する場合に形成する音声ビームを示している。スピーカアレイ５からは、カラオケ伴奏音（およびガイドボーカル音声）がビーム制御されずに無指向性で室内６１の全体に放音されている（不図示）。また、歌唱者のテーブル７１の方向には、スピーカアレイ５から音声ビーム８１で歌唱音声が放音されている。

このように各音声信号を放音することにより、カラオケ曲の伴奏は、室内６１全体で聴こえ、歌唱者の歌唱音声は、その歌唱者のテーブル７１のみで聴こえるようになる。他のテーブル７２〜７４には、伴奏音、ガイドボーカルが聴こえるため、他のグループの歌唱者の歌唱を聴く必要がない。また、マイク位置検出部７が出力するテスト音声は、全てのテーブル７１〜７４に放音されるが、上記のようにテスト音声は可聴外または可聴限界に近い音声であり、さらにはバイオリンなどの伴奏音声でマスキングされるため、全てのテーブル７１〜７４に居るグループに知覚されることがない。

歌唱者が大きく移動した場合、例えばテーブル７２のグループで歌唱が行われる場合、スピーカアレイ５から音声ビーム８２で歌唱音声が放音される。マイク位置検出部７は、定期的に（または伴奏音にあわせて）マイク２の位置を測定し、制御部８にマイク位置の情報を入力する。したがって、歌唱者の居る方向（グループ）に歌唱音声が放音されることとなる。
また、マイク位置の測定頻度を高くすることで、歌唱者が少し移動した場合であっても音声ビームを微調整することができる。すなわち、図６に示すように、制御部８は、マイク位置検出部７からマイク位置（角度）がφ１からφ２に変更された旨の情報を受信した場合、そのとき設定している音声ビーム（例えば同図において音声ビーム８１）の角度をθ１（＝φ１）からθ２（＝φ２）に変更する。

次に、ハウリング検出部１１は、ＡＤＣ６から入力された歌唱音声を含む音声信号からハウリングの発生を検出する。マイク２が収音する音声には歌唱音声の他、騒音等も含まれており、さらに、スピーカアレイ５から出力された音声ビームの帰還音声も含まれる。したがって、マイク２−ＡＤＣ６−信号処理部４−ドライバアンプ３−スピーカアレイ５−室内−マイク２、の経路で閉ループが形成される。この閉ループのゲインが１を越えるとスピーカからマイクロフォンに帰還した音声が増大してハウリングの発生となる。ハウリング検出部１１のハウリング検出手法は、どのような手法を用いてもよいが、例えばＡＤＣ６から入力した音声信号をＦＦＴし、特定周波数成分が所定の時間以上減衰せずに入力されるときにハウリング発生として判定する。なお、この場合、ハウリング検出部１１は、実際にループゲインが１を超えるよりも前にハウリング発生として判定するため、カラオケユーザが不快な音を認識する（ハウリングを認識する）よりも前にハウリング発生を検出するものである。

ハウリング検出部１１は、制御部８にハウリング発生を通知する。制御部８は、ハウリング検出部１１からハウリング発生の通知を受信した場合、音声ビームの角度を微調整する。図７は、ハウリング発生時の音声ビームの調整の一例を示した図である。
制御部８は、図７（Ａ）に示すように、ハウリング発生時に音声ビームの角度θ２を微少角度大きくし、θ３に変更する放音角度変更処理を行う。なお、同図においては、θ３＞θ２の例を示しているが、無論、θ３＜θ２となるように、音声ビームの角度を小さくしてもよい。音声ビームの角度を、マイク位置検出部７で検出したマイク位置からずらすことで、ループゲインを下げることができ、ハウリングを抑制する。

なお、ハウリング検出部１１は、ハウリングの抑制を検出することも可能である。例えば、所定時間以上減衰せずに入力されていた特定周波数成分が所定のレベル以下に抑制された場合にハウリングの抑制と判定する。ハウリング検出部１１は、ハウリング抑制を検出した場合、これを制御部８に通知する。制御部８は、ハウリング抑制の通知を受信した場合、音声ビームの角度を微調整前に（図７（Ａ）ではθ３からθ２に）変更する。これにより、音声ビームの変化を最小時間にとどめ、カラオケユーザが認識する聴覚上の変化を最小限に抑える。

また、制御部８は、ハウリング発生の通知を受信した場合、図７（Ｂ）に示すように、音声ビームの指向性を弱くする（音声ビームを鈍化させる）指向性鈍化処理を行う。音声ビームを鈍化させるには、例えばスピーカアレイ５の端部に配置したスピーカユニット（スピーカユニット５１Ｈ，５８Ｈ）に音声信号を供給しないようにビーム制御部４１Ａ，４１Ｂに設定し、スピーカユニット５１Ｈ，５８Ｈの駆動を停止する。音声ビームを鈍化させることでもループゲインを下げることができ、ハウリングを抑制する。なお、この場合、端部のスピーカユニットの駆動を停止するため、音声ビームの音量が低下することが考えられるため、他のスピーカユニット（スピーカユニット５２Ｈ〜５７Ｈ）に供給する音声信号のレベルを若干高くしてもよい。
なお、同図（Ｂ）の例においても、制御部８は、ハウリング抑制の通知を受信した場合、音声ビームの指向性を微調整前（鈍化させる前）に変更する。すなわち、端部のスピーカユニット５１Ｈ、５８Ｈに音声信号を供給するようにビーム制御部４１Ａ，４１Ｂに設定する。

なお、制御部８は、ハウリング発生の通知を受信した場合、同図（Ｃ）に示すように、音声ビームの角度を変更し、さらに指向性を鈍化させるように音声ビーム制御部４１Ａ，４１Ｂに設定してもよい。

なお、本実施形態では、マイク位置をリアルタイムに検出してその方向に歌唱音声を向けたり、ハウリング抑制する例を示したが、無論、検出したマイク位置に応じて行う処理はこれらに限定するものではない。

なお、本実施形態ではカラオケ装置の例を示したが、本発明はＰＡ等その他の拡声装置に用いることも可能である。

カラオケ装置の構成を示すブロック図である。 スピーカアレイの外観図である。 音声ビームの形成原理を説明するための図である。 マイク位置測定を示す概念図である。 実際のカラオケ店舗におけるビーム制御について説明する図である。 音声ビーム制御角度の微調整を示した図である。 ハウリング発生時の音声ビームの調整を示した図である。

符号の説明

１−カラオケ装置
２−マイク
３−ドライバアンプ
４−信号処理部
５−スピーカアレイ
６−ＡＤＣ
７−マイク位置検出部
８−制御部
９−伴奏再生部
１０−記憶部
１１−ハウリング検出部

Claims (3)

1. 音声信号を入力するマイクと、
   複数のスピーカユニットを配列してなるスピーカアレイと、
   前記音声信号を各スピーカユニットに遅延入力して放音に指向性を持たせる放音処理部と、
   前記放音処理部にテスト用の音声信号を入力し、このテスト用の音声信号により形成されるテスト音声ビームをスイープさせるテスト音声ビーム出力処理、
   および前記マイクが収音した音声信号のゲインを測定し、前記ゲインが最大となる音声ビームのスイープ角度からマイクの位置を検出するマイク検出処理、
   を実行する位置検出部と、
   を備えた拡声装置。
2. 前記位置検出部は、前記マイクが収音した音声信号を、前記テスト用の音声信号を含む周波数帯域以外の音声をカットするフィルタでフィルタ処理したのちゲインを測定する請求項１に記載の拡声装置。
3. 前記位置検出部は、テスト用の音声信号として可聴外の周波数帯域の音声信号を用いる請求項１、または請求項２に記載の拡声装置。

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